Углеродная сталь: Обзор свойств и ключевых применений
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Углеродистая сталь - это широко используемая категория стали, которая в основном состоит из железа и углерода, содержание углерода обычно колеблется от 0,05% до 2,0%. Она классифицируется на три основных типа в зависимости от содержания углерода: низкоуглеродистая (мягкая) сталь, среднеуглеродистая сталь и высокоуглеродистая сталь. Основным легирующим элементом в углеродистой стали является углерод, который значительно влияет на ее механические свойства, такие как прочность, твердость и пластичность. Также могут присутствовать небольшие количества других элементов, таких как марганец, кремний и медь, которые способствуют общим характеристикам стали.
Общий обзор
Углеродистая сталь известна своей универсальностью и используется в самых разных приложениях, от строительства до производства автомобилей. Её наиболее значительные характеристики включают высокую прочность на растяжение, хорошую обрабатываемость и возможность термической обработки для улучшения её свойств. Встроенные свойства углеродистой стали делают её подходящей для различных инженерных приложений, включая строительные компоненты, детали машины и инструменты.
Преимущества углеродистой стали:
- Экономическая эффективность: Углеродистая сталь, как правило, дешевле легированных сталей и нержавеющих сталей, что делает её популярным выбором для бюджетных проектов.
- Прочность и долговечность: При соответствующей термической обработке углеродистая сталь может достигать высокой прочности и твердости, что делает её подходящей для требовательных приложений.
- Свариваемость: Низкоуглеродистые стали, в частности, обладают отличной свариваемостью, что позволяет легко осуществлять fabrication и сборку.
Ограничения углеродистой стали:
- Подверженность коррозии: Углеродистая сталь подвержена ржавчине и коррозии при воздействии влаги и агрессивной среды, если не покрыта или не обработана должным образом.
- Ограниченная работа при высоких температурах: Хотя углеродистая сталь может выдерживать умеренные температуры, она может терять прочность и твердость при повышенных температурах по сравнению с легированными сталями.
- Хрупкость в высокоуглеродистых марках: Высокоуглеродистые стали могут стать хрупкими, если их не обрабатывать должным образом, что ограничивает их использование в определённых условиях.
Исторически углеродистая сталь сыграла решающую роль в промышленном развитии, служа основой сталелитейной промышленности. Её распространенность и адаптируемость сделали её основным материалом в различных секторах.
Альтернативные названия, стандарты и эквиваленты
| Стандартная организация | Обозначение/Класс | Страна/Регион происхождения | Заметки/Примечания |
|---|---|---|---|
| UNS | G10100 | США | Ближайший эквивалент AISI 1010 |
| AISI/SAE | 1010 | США | Низкоуглеродистая сталь, хорошая для сварки |
| ASTM | A36 | США | Структурная сталь, широко используемая в строительстве |
| EN | S235JR | Европа | Эквивалент ASTM A36, распространённый в Европе |
| DIN | St37-2 | Германия | Похож на S235JR, используется в строительстве |
| JIS | SS400 | Япония | Сравним с ASTM A36, используется в общем строительстве |
| GB | Q235 | Китай | Эквивалент S235JR, широко используемый в Китае |
| ISO | 6301 | Международный | Общая группа структурной стали |
В таблице выше перечислены различные стандарты и эквиваленты углеродистой стали. Хотя многие классы могут казаться эквивалентными, тонкие различия в композиции и механических свойствах могут существенно влиять на производительность в определённых приложениях. Например, сталь A36 часто используется в структурных приложениях благодаря своей отличной свариваемости, в то время как S235JR может иметь немного другие характеристики текучести.
Ключевые свойства
Химический состав
| Элемент (символ и название) | Процентный диапазон (%) |
|---|---|
| C (Углерод) | 0.05 - 2.0 |
| Mn (Марганец) | 0.30 - 1.65 |
| Si (Кремний) | 0.10 - 0.40 |
| P (Фосфор) | ≤ 0.04 |
| S (Сера) | ≤ 0.05 |
Основным легирующим элементом в углеродистой стали является углерод, который повышает твердость и прочность. Марганец добавляется для улучшения закаливаемости и прочности на растяжение, в то время как кремний выступает в качестве десоксиданта в процессе производства стали и может улучшать прочность. Фосфор и сера считаются примесями, которые могут негативно влиять на пластичность и прочность.
Механические свойства
| Свойство | Условие/Температура | Температура испытания | Типичное значение/диапазон (метрический) | Типичное значение/диапазон (имперский) | Справочный стандарт для метода испытания |
|---|---|---|---|---|---|
| Прочность на растяжение | Отожжённая | Температура помещения | 370 - 700 МПа | 54 - 102 ksi | ASTM E8 |
| Предельная прочность (0,2% смещение) | Отожжённая | Температура помещения | 250 - 450 МПа | 36 - 65 ksi | ASTM E8 |
| Удлинение | Отожжённая | Температура помещения | 20 - 30% | 20 - 30% | ASTM E8 |
| Твердость (Бринелля) | Отожжённая | Температура помещения | 120 - 200 HB | 120 - 200 HB | ASTM E10 |
| Ударная прочность | Шарпи V-выемка | -20°C | 20 - 40 J | 15 - 30 ft-lbf | ASTM E23 |
Механические свойства углеродистой стали значительно различаются в зависимости от содержания углерода и термической обработки. Низкоуглеродистые стали демонстрируют хорошую пластичность и свариваемость, что делает их подходящими для структурных приложений. Среднеуглеродистые стали обеспечивают баланс между прочностью и пластичностью, в то время как высокоуглеродистые стали предлагают повышенную твердость, но сниженную пластичность.
Физические свойства
| Свойство | Условие/Температура | Значение (метрический) | Значение (имперский) |
|---|---|---|---|
| Плотность | Температура помещения | 7.85 г/см³ | 0.284 фунт/дюйм³ |
| Температура плавления | - | 1425 - 1540 °C | 2600 - 2800 °F |
| Теплопроводность | Температура помещения | 50 Вт/м·К | 29 BTU·дюйм/ч·фут²·°F |
| Удельная теплоемкость | Температура помещения | 0.49 кДж/кг·К | 0.12 BTU/фунт·°F |
| Электрическое сопротивление | Температура помещения | 1.68 × 10⁻⁸ Ом·м | 1.68 × 10⁻⁸ Ом·дюйм |
Плотность углеродистой стали относительно высока, что способствует её прочности и долговечности. Температура плавления указывает на её пригодность для высокотемпературного использования, в то время как теплопроводность и удельная теплоемкость важны для приложений, связанных с теплообменом. Электрическое сопротивление является критическим фактором в электрических приложениях, где предпочтительно низкое сопротивление.
Коррозионная стойкость
| Коррозионный агент | Концентрация (%) | Температура (°C/°F) | Рейтинг сопротивления | Заметки |
|---|---|---|---|---|
| Атмосферное | Различается | Окружающая | Удовлетворительная | Подвержена ржавчине |
| Хлоры | Различается | Окружающая | Плохая | Риск коррозии в виде ям |
| Кислоты | Различается | Окружающая | Плохая | Не рекомендуется |
| Щелочи | Различается | Окружающая | Удовлетворительная | Умеренное сопротивление |
| Органические | Различается | Окружающая | Хорошая | Общая стойкость |
Углеродистая сталь проявляет ограниченную коррозионную стойкость, особенно в условиях высокой влажности или воздействия хлоридов, что может привести к образованию ям. Хотя её можно обрабатывать покрытиями или оцинковкой для повышения стойкости, в общем, не рекомендуется использовать в агрессивных средах без защитных мер. По сравнению с нержавеющими сталями углеродистые стали значительно менее устойчивы к коррозии, что делает их неподходящими для морских или химических процессов.
Теплотехническая стойкость
| Свойство/Предел | Температура (°C) | Температура (°F) | Заметки |
|---|---|---|---|
| Максимальная непрерывная рабочая температура | 400 °C | 752 °F | Подходит для умеренных температур |
| Максимальная прерывистая рабочая температура | 500 °C | 932 °F | Только краткосрочное воздействие |
| Температура корка | 600 °C | 1112 °F | Риск окисления при высоких температурах |
| Учет прочности на ползучесть | 400 °C | 752 °F | Начинает терять прочность |
Углеродистая сталь может выдерживать умеренные температуры, но может подвергаться окислению и корке при более высоких температурах. Её работа при повышенных температурах ограничена по сравнению с легированными сталями, которые предназначены для высокотемпературных приложений. При использовании в условиях нагрева необходимо внимательно учитывать, чтобы избежать деградации механических свойств.
Свойства обработки
Свариваемость
| Процесс сварки | Рекомендуемый наполнитель (классификация AWS) | Типичный защитный газ/флюс | Заметки |
|---|---|---|---|
| MIG | ER70S-6 | Смесь аргона и CO2 | Отлично для тонких материалов |
| TIG | ER70S-2 | Аргон | Хорошо для точной сварки |
| Ручная сварка | E7018 | N/A | Подходит для наружных работ |
Углеродистую сталь обычно легко сваривать, особенно низкоуглеродистые марки, которые могут быть сварены с использованием различных процессов, таких как MIG, TIG и ручная сварка. Предварительный подогрев может быть необходим для более толстых деталей, чтобы избежать трещин. Термическая обработка после сварки может улучшить свойства шва и снизить остаточные напряжения.
Обрабатываемость
| Параметр обработки | [Углеродистая сталь] | AISI 1212 | Заметки/Советы |
|---|---|---|---|
| Индекс относительной обрабатываемости | 100 | 150 | AISI 1212 легче обрабатывать |
| Типичная скорость резания (т turning) | 30 м/мин | 45 м/мин | Регулировать в зависимости от инструмента |
Углеродистая сталь обычно демонстрирует хорошую обрабатываемость, особенно в низкоуглеродистых марках. Однако более высокое содержание углерода может привести к увеличению износа инструмента и снижению обрабатываемости. Правильные инструменты и условия резки имеют важное значение для оптимальной производительности.
Формуемость
Углеродистая сталь может быть сформирована различными процессами, включая холодное и горячее формование. Низкоуглеродистые стали особенно подходят для холодного формования благодаря своей отличной пластичности. Однако высокоуглеродистые стали могут потребовать горячего формования, чтобы избежать трещин. Радиусы изгиба должны быть тщательно учтены, чтобы предотвратить поломки во время формования.
Термическая обработка
| Процесс обработки | Диапазон температур (°C/°F) | Типичное время выдержки | Метод охлаждения | Основная цель / Ожидаемый результат |
|---|---|---|---|---|
| Отжиг | 600 - 700 °C / 1112 - 1292 °F | 1 - 2 часа | Воздух | Уменьшение жесткости, повышение пластичности |
| Закалка | 800 - 900 °C / 1472 - 1652 °F | 30 минут | Вода/Масло | Увеличение твердости, повышение прочности |
| Закалка | 200 - 700 °C / 392 - 1292 °F | 1 час | Воздух | Снижение хрупкости, улучшение прочности |
Процессы термической обработки, такие как отжиг, закалка и закалка, могут значительно изменить микроструктуру и свойства углеродистой стали. Отжиг смягчает сталь, в то время как закалка увеличивает твердость. Закалка часто проводится после закалки, чтобы уменьшить хрупкость и улучшить прочность, что делает её подходящей для различных приложений.
Типичные приложения и конечные использования
| Отрасль/Сектор | Конкретный пример применения | Ключевые свойства стали, использованные в этом приложении | Причина выбора (кратко) |
|---|---|---|---|
| Строительство | Балки и колонны | Высокая прочность, свариваемость | Структурная целостность |
| Автомобильная | Шасси и рамы | Пластичность, прочность | Легкость и долговечность |
| Производство | Инструменты и штампы | Твердость, износостойкость | Точность и долговечность |
| Нефть и газ | Трубопроводы | Прочность, коррозионная стойкость | Безопасность и надежность |
Углеродистая сталь используется в различных отраслях благодаря своим благоприятным свойствам. В строительстве она обеспечивает структурную целостность и поддержку. В автомобильном секторе её легкость и прочность делают её идеальной для рам автомобилей. Инструменты и штампы выигрывают от твердости углеродистой стали, в то время как трубопроводы требуют прочности и устойчивости к внешним факторам.
Важные аспекты, критерии выбора и дополнительные соображения
| Особенность/Свойство | Углеродистая сталь | AISI 4140 | Нержавеющая сталь 304 | Краткое заметка о плюсах/минусах |
|---|---|---|---|---|
| Ключевое механическое свойство | Умеренное | Высокое | Умеренное | 4140 предлагает более высокую прочность |
| Ключевой аспект коррозии | Плохой | Удовлетворительный | Отличный | Нержавеющая сталь более устойчива |
| Свариваемость | Хорошая | Удовлетворительная | Хорошая | Углеродистая сталь легче сваривать |
| Обрабатываемость | Хорошая | Удовлетворительная | Хорошая | Углеродистая сталь легче обрабатывать |
| Формуемость | Отличная | Хорошая | Удовлетворительная | Углеродистая сталь более пластична |
| Приблизительная относительная стоимость | Низкая | Умеренная | Высокая | Углеродистая сталь экономически эффективна |
| Типичная доступность | Высокая | Умеренная | Высокая | Углеродистая сталь широко доступна |
При выборе углеродистой стали для конкретного применения необходимо учитывать несколько факторов, включая механические свойства, коррозионную стойкость, свариваемость и стоимость. Хотя углеродистая сталь часто является наиболее экономичным выбором, её ограничения в коррозионной стойкости могут потребовать использования покрытий или альтернативных материалов в определённых условиях. Доступность углеродистой стали также делает её практичным вариантом для многих проектов.
В заключение, углеродистая сталь остается основным материалом в инженерии и производстве благодаря своему балансу свойств, экономической эффективности и универсальности. Понимание её характеристик и ограничений очень важно для принятия информированных решений при выборе материалов и их применении.